第３６卷第１期 ２０１５年Ｏ２月 长春工业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ ＶｏＩ．３６ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１５ ＤＯＩ：１０．１５９２３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ２２—１３８２／ｔ．２０１５．１．１３ 基于ＳＴＭ３２生产环境监控系统 王晓晶 ， 赵银花孙， 宋柏林 ＇ 王劭丹。 ， 刘瑛拮。 （１．吉林省经济管理干部学院电子信息技师学院，吉林长春 １３００１２； ２．长春工业大学软件职业技术学院，吉林长春 １３００１２； ３．长春工业大学机电工程学院，吉林长春 １３００１２） 摘 要：基于ＳＴＭ３２微控制器设计了环境监控终端系统，阐述了工作原理及硬件、软件设计 过程。系统能够采集温湿度、可燃气体浓度，并具有显示、报警、照明灯亮度调节和无线手持终 端控制等功能。 关键词：生产环境；监控系统；传感器；设计 中图分类号：ＴＰ２１２．９；ＴＰ２７３．５文献标志码：Ａ文章编号：１６７４—１３７４（２０１５）Ｏ１—００６１—０５ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｊｉｎｇ ， ＺＨＡＯ Ｙｉｎ—ｈｕａ ， ＳＯＮＧ Ｂａｉ—ｌｉｎ。， ＷＡＮＧ Ｓｈａｏ—ｄａｎ。．ＬＩＵ Ｙｉｎｇ—ｚｈｅ。 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ。Ｊｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃａｄｒｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌ１ｅｒ，ａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ ｇａｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ， ｄｉｓｐｌａｙ，ａｌａｒｍ，ｌｉｇｈｔ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｈａｎｄｈｅｌｄ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｎｓｏｒ；ｄｅｓｉｇｎ． ０ 引 工业化进程的加快使得各生产领域对环境信 息如温度、湿度等的监控提出了更高要求，而生产 环境监测是安全生产的基础，需要快速、全面、及 收稿日期：２０１４—１卜１２ 时准确地反映环境质量的现状及变化趋势，减少 安全隐患，降低生产人员的事故风险Ⅲ。因此，研 制可靠性高、功耗低、便于安装且能够实时显示的 环境监控系统变得尤为迫切 。目前环境监控系 统成本较高、方法相对简单，多引用国外设备，对 基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（２０１４１０１９００３９） 作者简介：王晓晶（１９６２一），女，汉族，吉林长春人，吉林省经济管理干部学院高级讲师，主要从事机械制造自动化方向研究，Ｅ— ｍａｉｌ：５５３８４２３３５＠ｑｑ．ｃｏｒｎ．＊通讯作者：赵银花（１９７２一），女，汉族，吉林长春人，长春工业大学讲师，主要从事环艺设计 方向研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｉｎｈｕａ＠ｅｃｕｔ．ｅｄｕ．ａｎ． ６２ 长春工业大学学报 第３６卷 所监测环境只能进行某时间段的监测，实时性较 度传感器、气体浓度传感器、光照强度传感器、无 线接收模块、蜂鸣器、数据显示模块和键盘模块以 及加热模块组合而成。通过ＤＨＴ１１数字温湿度 差，检测结果受人为因素影响较大，不能满足人们 对生产环境监测的要求…。］。 因此，文中设计开发了基于ＳＴＭ３２的生产 传感器对现场温湿度进行实时监测；通过ＭＱ．５ 气体传感器检测环境内有害气体和可燃气体浓 度；通过光照强度控制模块Ｌｘｄ５５２８实时检测生 产环境中的光照强度；实时检测的数据通过显示 模块Ｎｏｋｉａ５ｌ１０液晶屏显示结果。 系统整体框图如图１所示。 环境监控系统，实现生产环境中温湿度、可燃气体 浓度、光照强度进行采集和实时监测控制，并同步 实时显示所测得的多个环境参数具有显示、报警 和控制等功能。 ｌ总体方案设计 本系统以ＳＴＭ３２微控制器为核心，由温湿 Ｉ温湿度监测模块 ＝ ！＝ ｌ可燃气体监测模块｝＝；： ． ｌ环境照度监控模块 ＝！＝ 现 ＿．． 尢 场 线 ｌ加热装置控制模块 ＝！＝ 主 控 发 收 喷淋阀监控模块 ＝ｌ！＝ 机 ●●一 块 模 －－ＸｉＺ －－ｑ显示模块 尢 ■卜—一 线 收 手 持 发 模 块 －－－● 设 ．备 －ｑ键盘模块 —ｌ排风机监控模块 ＿ ＿＿■＿－● ＿－ ＿一报警 ｌ 隔离门监控模块｝＝；＝！＝ ｌ模块 Ｉ 图１系统整体框图 叫报警模块 手持设备 其中现场主控机能对现场要控制的温湿度、 照明灯亮度、可燃气体浓度值进行设置并显示，照 微控制器一ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＢＴ６。这款控制器属于 增强型系列，使用了高性能的ＡＲＭＣｏｒｔｅｘＴＭ— 明灯亮度分５个挡位，可燃气体报警浓度设定范 围２Ｏ ～１００ ＬＥＬ；还可对喷淋阀、排风机、隔 Ｍ３ ３２位的ＲＩＳＣ内核，工作频率可达７２ ＭＨｚ， 并内置１２８ ＫＢ字节的闪存和２０ ＫＢ的静态随机 离门等装置进行就地开关控制，并以无线方式将 现场环境温湿度、照明灯亮度、可燃气体浓度等信 息和喷淋阀、排风机、隔离门装置的开关状态发送 给终端手持设备。 终端手持设备能接收现场主控机发出的照明 存储器。配有多个通信接口以及丰富的片上资 源，大大简化了系统硬件的设计，满足系统中采集 单元控制和通信的需求 ］。ｓＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＶＢＴ６ 微控制器的原理如图２所示。 ２．２温湿度采集模块 灯亮度、温湿度、可燃气体浓度等参数信息，并能 发出控制指令，通过现场主控机完成排风机的排 风量、照明灯光亮度，喷淋阀、隔离门的开／闭控 制；同时，终端手持设备还具有显示现场设备的工 温湿度采集模块选用温湿度一体化的 ＤＨＴ１１数字温湿度传感器，内部包括１个电阻式 测湿元件和１个ＮＴＣ测温元件，并与１个ＭＣＵ 相连。具有响应速度快、测量精准、体积小、功耗 低、信号传输距离远等优点，与ＳＴＭ３２微处理器 进行简单的电路连接就可实时采集生产环境中的 作状态信息，具有存储回放功能。 ２ 硬件设计 ２．１ ＳＴＭ３２微控制器模块 湿度和温度，内部数据可一次性传给主机，有效保 证数据传输的准确性，简易快捷［６］。ＤＨＴ１１传感 器原理如图３所示。 系统控制器采用意法半导体ＳＴＭ３２系列的 第１期 王晓晶，等：基于ＳＴＭ３２生产环境监控系统 ６３ ｌ国ｌ ｌ Ｉ８ｌ ｌ器ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ ｌ ４８ ４７ ４６ ４５ ４４ ｎ Ｑ口＞ ｎ∞∞ ９ ｌＯ ∞ ｌ１ ∞∞ ｌ２ ０上工００∞ ｌ３ 卜∞ １４ ∞ １５ ｎ∞ １６ 寸∞ ｎ∞ ∞ Ｕ 一 一 咖 一呦 哦吣一一 ４３ ４２ ４１ ４０ ３９ ３８ ３７ ３６ ３５ ３４ ３３ 墓圣‘蚕圣塞茎蚕茧莹萤蚕誉星蚕圣‘蚕 ￡ｌ竺ｌ ｌ ｌ Ｉ ｌ ｌ Ｉ ｌ ｌ ｌ罱ｌ ｌ是Ｉ ｌ 图２微控制器的原理 一 Ｕ ０＿【ｖｄ ｖｄ ＝ 叩一 一 ２ ２ ３ ２ ｌ Ｏ ９ ８ ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ 队队 蹦聊 ， ２０ｋＱ ＶＣＣ 图３ ＤＨＴ１１传感器原理 ２．３可燃气体采集模块 图４气体传感器原理 ＭＱ＿５气体传感器中的气敏材料是在清洁空 气中电导率较低的二氧化锡（ＳｎＯ ）。可将检测 ２．４光照强度控制模块 光照强度控制模块采用Ｌｘｄ５５２８光敏电阻， 具有电流小、照度响应低、灵敏度高等优点；光谱 到的可燃性气体体积分数变换为电信号，由连接 在其负载上的电阻器将其转换为电压信号送给 Ａ／Ｄ转换器，通过简单的电路即可将电导率的变 响应接近人眼函数曲线；内置ＣＭＯＳ放大 器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作 电压范围宽，温度稳定性好；可选光学纳米材料封 化转换为与该气体浓度相对应的输出信号口］。采 集原理如图４所示。 装，可见光透过，紫外线截止、无铅、无镉。传感器 模型如图５所示。 ６４ 长春工业大学学报 第３６卷 ＶＣＣ 图５光照强度传感器原理 ２．５显示模块 Ｎｏｋｉａ５１１０液晶屏是拥有８４×４８的点阵 ＬＣＤ，可以显示４行汉字，采用串行接口与主处理 器进行通信，支持多种串行通信协议。体积小、点 阵密、控制简单＿８］。液晶屏原理如图６所示。 图６液晶屏原理 ３ 软件设计 ３．１ 程序功能要求及程序设计 １）温湿度监测实现功能：监测生产环境的温 度和湿度。 ２）可燃气体监测实现功能：监测生产环境可 燃气体的浓度值。 ３）环境照度监控实现功能：对照明灯的亮暗 进行控制。 ４）加热装置控制实现功能：对生产环境升 温，方便监测。 ５）喷淋阀、排风机、隔离门实现功能：对这些 装置实现开关控制。 ３．２程序功能设计 ＳＴＭ３２采集温湿度流程如图７所示。 图７ ＳＴＭ３２采集温湿度流程 ４测试方案 ４．１硬件测试 系统硬件测试主要包括逻辑错误调试、开发 板中各元器件的调试、系统可靠性调试，以及电源 故障调试等，查找系统中是否出现接线错误以及 开路、短路、电源故障等情况出现，确保系统中各 元器件不发生失效现象，最终对系统的可靠性进 行调试，保证系统安全、可靠正常运行。 ４．２软件仿真测试 采用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件进行仿真，将之前设计好 的电路图在该软件中画出，然后逐步进行指示灯 逐级亮灭、照明灯亮暗程度、高温报警等功能操 作，以达到软件仿真的目的。 软件测试界面如图８所示。
